Hoe verandert een metaal op de nanoschaal Hoe verandert een

advertisement
Hoe verandert een metaal op de nanoschaal
Hoe verandert
op de nanoschaal
in een isolator?
Dr. Erik van Heumen
Outline
Hoe/waarom verandert een metaal in een isolator?
Hoe maak je dit zichtbaar op de nanoschaal?
Metaal‐Isolator overgang in V2O3
Sterk wisselwerkend
metaal
Structurele en
magnetische
overgangen
Wat drijft de overgang
van metaal naar
van metaal
isolator?
McWhan et al., PRL 23, 1384 (1969) Hansmann et al. Phys. Status Solidi B 250, 1251 (2013)
V2O3 kristal structuur
300 nm film V2O3 op saffier
g diffractie: ([110] and [012] peaks) ([
]
[
]p
)
rontgen
2 structuren bij dezelfde T
C Meneghini et al., J. Phys.: Condens. Matter 21 (2009) 355401 V2O3 kristal structuur
Volgen de elektronen de kristal structuur?
Outline
Hoe/waarom verandert een metaal in een isolator?
Hoe maak je dit zichtbaar op de nanoschaal?
Weerstand?
Methode
h d nr. 1
A. Caviglia, TUDelft
Methode
h d nr. 2
2
50 nm contact afstand !
Geleiding!
)) is een
Licht ((foton) is Licht (foton
een wisselend elektromagnetisch
veld!
Het Drude model
Vrije lading
Ionen
Het Drude model beschrijft
j metalen
metalen. . Elektronen botsen met iionen.
onen.
foton
Paul Drude
Paul Drude
1/weerstand!
De optische geleiding
De optische geleiding
Lorentz bedacht wat er
Lorentz bedacht
wat er gebeurde als de elektronen ’vast’ ’vast’ zaten
zaten..
Hij nam aan dat er een ‘nieuwe’ nieuwe’ kracht
kracht was die de elektronen
die de elektronen aan de kernen
de kernen gebonden
hield (wet van Hooke). Dit is is een
een model model voor
voor een isolator!
D d
Drude
L
Lorentz
t
De optische geleiding
1/weerstand!
Probleem
Metaal
Isolator
Probleem
Metaal
Isolator
Golflengte
[μm]]
g [μ
THz
FIR
foton energie [meV]
MIR
NIR
VIS
UV
De diffractie limiet
Objecten kleiner dan de golflengte kun je niet
kun je niet
onderscheiden!
Het optische verschil
tussen metaal en isolator zie je bij 10‐100 μm. Nabije veld spectroscopie
AFM
probe
Einc
Escat
Escat ∝ pz (ε )
pz
Einc
z
ε
Enf
 11
 1
• Als je een metalen naald met laser licht
bestraalt onstaat een dipool
• Door
Door E
Escat te meten terwijl de naald
de naald het het
oppervlak aftast, zie je optisch contrast
Escat bevat lokale informatie
over optische geleiding met 20 nm resolution ( ≈ straal van AFM punt)
Metaal‐Isolator overgang in V2O3
Sterk wisselwerkend
metaal
Structurele en
magnetische
overgangen
Wat drijft de overgang
van metaal naar
van metaal
isolator?
McWhan et al., PRL 23, 1384 (1969) Hansmann et al. Phys. Status Solidi B 250, 1251 (2013)
V2O3 kristal structuur
300 nm film V2O3 op saffier
g diffractie: ([110] and [012] peaks) ([
]
[
]p
)
rontgen
2 structuren bij dezelfde T
C Meneghini et al., J. Phys.: Condens. Matter 21 (2009) 355401 Near‐field maps
169K
176K
173K
171K
179K
PM
+
–
298K
d
AFI
162K
22 μm
μ
164K
0 (AFI)
169K
172K
Near-field amplitude (rel. gold)
175K
204K
1.2 (PM)
Near‐field maps
169
K
173
K
171
K
176
K
179
K
d
AFI
PM
+
–
298
K
162K
22 μm
μ
164
K
169
K
0 (AFI)
172
K
175
K
1.2 (PM)
Near-field amplitude (rel. gold)
Insulating
204
K
Metallic
Near‐field maps
169
K
173
K
171
K
176
K
179
K
d
AFI
PM
+
–
298
K
162K
22 μm
μ
164
K
169
K
0 (AFI)
172
K
175
K
1.2 (PM)
Near-field amplitude (rel. gold)
Insulating
204
K
Metallic
Near‐field maps
169
K
173
K
171
K
176
K
179
K
d
AFI
PM
+
–
298
K
162K
22 μm
μ
164
K
169
K
0 (AFI)
172
K
175
K
1.2 (PM)
Near-field amplitude (rel. gold)
Insulating
204
K
Metallic
Near‐field maps
169
K
173
K
171
K
176
K
179
K
d
AFI
PM
+
–
298
K
162K
22 μm
μ
164
K
169
K
0 (AFI)
172
K
175
K
1.2 (PM)
Near-field amplitude (rel. gold)
Insulating
204
K
Metallic
Near‐field maps
169
K
173
K
171
K
176
K
179
K
d
AFI
PM
+
–
298
K
162K
22 μm
μ
164
K
169
K
0 (AFI)
172
K
175
K
1.2 (PM)
Near-field amplitude (rel. gold)
Insulating
204
K
Metallic
Two facets of the metal‐insulator transition
T=169 K
T=169 K
Insulator
Heating
Cooling
Conducting stripes
XRD: transition 75 % completed
Insulating
Nucleating conducting puddles ddl
XRD: transition <5 % completed
Metallic
Percolatie overgang
T=174K
T=174K
• Verandering
g van weerstand
valt samen met formatie van oneindig geleidend cluster
30K
bimodal
200K
174K
k
i h en structurele
l
• El
Elektronische
fracties verschillen 5 K
“Insulating”
Mott overgang
Mott overgang kan ook binnen
monoclinische structuur
(*) Liu et al., Phys. Rev. Lett. 111, 096602 (2013)
“Metallic”
Samenvatting
De verandering van de weerstand
van de weerstand
De verandering
wordt gedreven door percolatie. De metaal‐isolator overgang
l l
is niet
direct gekoppeld aan de kristal
structuur. Waarom een gestreept patroon?
T=169 K
T=169 K
T=169 K
Cooling
Heating
Mogelijk antwoord
Koppeling van elektronen aan ‘stress velden’
Outline
The Hubbard model
N
Neem een
Neem een rooster van atomen
rooster van t
atomen.
t
.
γ
The Hubbard model
N
Neem een
Neem een rooster van atomen
rooster van t
atomen.
t
.
The Hubbard model
N
Neem een
Neem een rooster van atomen
rooster van t
atomen.
t
.
Mott‐Hubbard isolator
Met anti‐‐parallelle spins Met anti
spins winnen
winnen ze Ekin
De reflectiviteit
Near field enhancement
//
Csca = scattering cross‐section
Strong enhancement when tip aproaches sample
E h
Enhancement for perpendicular
f
di l polarization
l i i
Knoll, B. & Keilmann, F. Optics comm. 182, 321–328 (2000).
Detection scheme
IR
Modulate AFM tip at Ω
Ω
S
Sample
mirror
dipole
Knoll et al., Optics Communications 182, 321 (2000)
Ocelic et al., APL 89, 101124 (2006)
Interferometric detection
IR
How to remove background?
Pseudo heterodyne detection
Pseudo‐heterodyne detection
S
Sample
mirror
dipole
Ocelic et al., APL 89, 101124 (2006)
Interferometric detection
IR
How to remove background?
Pseudo heterodyne detection
Pseudo‐heterodyne detection
S
Sample
mirror
dipole
Ref. amplitude
NF amplitude
Bessel function Ref phase
Ref. phase
NF phase
Interferometric detection
IR
How to remove background?
Pseudo heterodyne detection
Pseudo‐heterodyne detection
S
Sample
mirror
dipole
Ocelic et al., APL 89, 101124 (2006)
V2O3 kristal structuur
Volgen de elektronen de kristal structuur?
Introductie
Wat is het verschil tussen een metaal en een isolator?
Introductie
Hoe verandert een metaal in een isolator?
Kan een metaal in een
in een isolator veranderen?
isolator eranderen?
e‐beam lithography
50
50 nm contact afstand
t t f t d!
A. Caviglia, TUDelft
Outline
Introductie
Hoe verandert een metaal in een isolator?
Elektronen zijn fermionen.
Ze wisselwerken via de Coulomb interactie.
Introductie
Hoe verandert een metaal in een isolator?
Koper
Neon
Berylium
Waterstof
Helium
4s
Model voor een metaal
Neem een
Neem een rooster van atomen
rooster van atomen..
electron
γ
γ geeft de kans
de kans
dat een elektron
zich verplaatst
Koper
Model voor een metaal
Het Hubbard model
Het simpelste model Het simpelste
model voor
voor wisselwerkende
electronen..
electronen
e1 en e2 op op hetzelfde
hetzelfde roosterpunt
e1 en e2 niet op op hetzelfde
hetzelfde punt
Twee fermionen kunnen alleen op Twee fermionen
op hetzelfde
hetzelfde
roosterpunt zijn als hun spin anti‐
spin anti‐parallel is.
spin anti
parallel is
The Hubbard model
N
Neem een
Neem een rooster van atomen
rooster van t
atomen.
t
.
γ
The Hubbard model
N
Neem een
Neem een rooster van atomen
rooster van t
atomen.
t
.
The Hubbard model
Al alle
Als
ll spins dezelfde
spins i dezelfde
d lfd kant
k t opstaan, opstaan
t , zitten de elektronen
de elektronen vast! Mott‐Hubbard isolator
Met anti‐‐parallelle spins Met anti
spins winnen
winnen ze Ekin
Metaal‐Isolator overgang in V2O3
Sterk wisselwerkend
metaal
Structurele en
magnetische
overgangen
Wat drijft de overgang
van metaal naar
van metaal
isolator?
McWhan et al., PRL 23, 1384 (1969) Hansmann et al. Phys. Status Solidi B 250, 1251 (2013)
Download
Random flashcards
Create flashcards